搜索鼠標(biāo)下落測(cè)試的有限元分析
2013-06-21 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
來(lái)源:ABAQUS
關(guān)鍵字:ABAQUS 非線性工況 個(gè)人電子產(chǎn)品 鼠標(biāo) 有限元
ABAQUS的主要功能和優(yōu)點(diǎn)
對(duì)短歷時(shí)、動(dòng)態(tài)、非線性工況高效模擬的有力顯式求解方法。
通用(“自動(dòng)的”)接觸算法以簡(jiǎn)化接觸定義。
修正了的十節(jié)點(diǎn)四面體單元,使得復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格劃分更加容易,還可提供精確的接觸結(jié)果。
可變的質(zhì)量縮放技術(shù)提高了計(jì)算效率。
獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件,使用連接件單元來(lái)進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)的連接,這種單元考慮了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能,包括損壞。
時(shí)效輸出的實(shí)時(shí)低通過(guò)濾可避免重疊誤差。
背景知識(shí)
個(gè)人電子產(chǎn)品受到機(jī)械撞擊載荷是很尋常的,特別是從手中或者桌上掉下來(lái)產(chǎn)生的撞擊。能否經(jīng)受這種載荷對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)成功的產(chǎn)品很關(guān)鍵。
要評(píng)估一個(gè)電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時(shí)的響應(yīng),需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析模擬。與物理實(shí)驗(yàn)相比,模擬有著明顯的優(yōu)勢(shì):提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點(diǎn)的信息(應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等),成本低,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,任意階段都可以進(jìn)行模擬。
在本技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)中涉及的分析是一個(gè)無(wú)線光電鼠標(biāo)從1米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構(gòu)件在跌落過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障。
有限元分析方法
鼠標(biāo)模型由外殼、帶有電子元件的電路板、滾輪和兩個(gè)按鈕組成。將外殼、按鈕和滾輪劃分為10節(jié)點(diǎn)四面體單元。這種單元可以很好地解決大變形、接觸分析問(wèn)題以及出現(xiàn)最小體積和剪切鎖死等問(wèn)題。它們的優(yōu)勢(shì)還在于可以利用自動(dòng)四面體網(wǎng)格生成器來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜電子部件幾何模型網(wǎng)格劃分的工作。
電路板和電子元件劃分為六面體單元。電子元件作為剛體,通過(guò)基于表面的連接約束與電路板連接。連接約束將表面牢牢連接起來(lái),在分析中是不會(huì)分開(kāi)的。連接約束的優(yōu)點(diǎn)是被連接的網(wǎng)格不需要匹配,電子元件允許有相對(duì)比較粗糙的網(wǎng)格。圖1-3為組成鼠標(biāo)的部件。
圖1:底座
圖2:電路板、電子元件和滾輪
圖3:完整的模型
所有的變形部分采用線彈性材料。對(duì)于這些預(yù)期應(yīng)變很小的部件,通常都是如此處理。
實(shí)際的電腦鼠標(biāo)是用螺釘、撳鈕接頭和線夾配合或者其他連接方式連接起來(lái)的。建立這些特性完整詳細(xì)的模型是有可能的,然而目前分析著重的是電子元件承受的載荷。因此,所有構(gòu)件之間的機(jī)械連接點(diǎn)都是利用獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件或者基于表面的連接約束來(lái)近似。連接電路板和底座、按鈕和上殼都使用了約束。
獨(dú)立網(wǎng)格劃分緊固件可以在任意點(diǎn)連接兩個(gè)或者兩個(gè)以上部件;在連接的位置上不要求節(jié)點(diǎn)一致。另外,實(shí)際連接可以用連接件單元來(lái)建模。這樣使比如材料非線性、摩擦和損壞等復(fù)雜特性可以包含點(diǎn)到點(diǎn)的連接。
鼠標(biāo)殼體的底座、中間部分和上部是利用基于連接件的獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件連接起來(lái)的。Cartesian和Cardan類(lèi)型的連接件相結(jié)合,來(lái)獲得類(lèi)似梁的特性。圖4標(biāo)明緊固件連接的位置。
圖4:獨(dú)立網(wǎng)格劃分的位置
網(wǎng)格獨(dú)立是通過(guò)將附著件分布到被連接表面上的一些節(jié)點(diǎn)上。這些節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)地和附著點(diǎn)一起被選中。然后這些附著點(diǎn)被用來(lái)定義連接件單元。例如,如圖5顯示了鼠標(biāo)前部連接底座和外殼中間部分的緊固件(從里看)。與單元連接的連接件單元和節(jié)點(diǎn)用紅點(diǎn)標(biāo)示出來(lái)。
圖5:底座和外殼中間部分緊固件的剖面圖和連接點(diǎn)
雖然本次分析沒(méi)有包括材料損傷模型,但是該模型可以用于建立外殼損傷的模型。對(duì)于有屏幕或者鏡頭的電子產(chǎn)品,這一類(lèi)模型對(duì)于這些易損部件的抗損性可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估。
使用了通用(或者“自動(dòng)的”)接觸運(yùn)算法則,兩個(gè)表面都不需要詳細(xì)定義,從而簡(jiǎn)化了接觸的定義。只用一個(gè)交互作用的定義,整個(gè)裝配就都在接觸域內(nèi)。底面被定義為剛體,所有的鼠標(biāo)部件都加上重力載荷。從1米高自由落體的初速度在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上也都被設(shè)定了。
分析模擬了一個(gè)5毫秒的跌落過(guò)程。為了減少這次分析的運(yùn)算時(shí)間,使用了質(zhì)量縮放技術(shù)。利用質(zhì)量縮放技術(shù),求解過(guò)程中,ABAQUS在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量縮放,來(lái)保證用戶指定的最小時(shí)間增量。
分析結(jié)果和討論
圖6為本例中撞擊后瞬間的等效應(yīng)力等值線云圖,在撞擊區(qū)域和支持電路板凸起的底部有應(yīng)力集中。在這些區(qū)域中的應(yīng)力可采用子模型技術(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析,利用子模型技術(shù),整個(gè)模型得到的結(jié)果可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)某個(gè)區(qū)域中更小的、更詳細(xì)的模型。
如果部件有相對(duì)運(yùn)動(dòng),力或者力矩變得太大,典型的緊固件可能被損壞成碎片。在ABAQUS/Explicit中,可以對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)損壞的部件進(jìn)行定義,或者對(duì)所有部件進(jìn)行定義。同時(shí)也可以部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生破壞的準(zhǔn)則進(jìn)行選擇。
圖6:撞擊瞬間等效應(yīng)力
圖7:在運(yùn)動(dòng)5毫秒時(shí)鼠標(biāo)模型,顯示了外殼部件分離
圖8為前底座與外殼中間部分的連接件(參見(jiàn)圖5)受到的力,繪出了局部X向和Z向分力,分別表示軸向和側(cè)面剪切力。因?yàn)閷?duì)稱(chēng),局部Y向分力為零。另外兩條曲線顯示了連接件損壞沒(méi)有發(fā)生的情況下受到的每個(gè)分力。
圖8:前底座到外殼中間部分緊固件的所有受力
圖9為模型內(nèi)能和動(dòng)能的時(shí)程曲線。模擬開(kāi)始,鼠標(biāo)自由落體,此時(shí)只有動(dòng)能。撞擊開(kāi)始,使外殼變形,將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。另外兩條曲線表示在連接件損壞沒(méi)有發(fā)生的情況下每種能量的時(shí)程曲線。
圖9:整個(gè)模型內(nèi)能和動(dòng)能
這個(gè)分析的目的是為了評(píng)估電子元件損壞的可能性。電路板元件的加速度記錄提供了關(guān)于載荷的信息。每個(gè)部件質(zhì)心的響應(yīng)被測(cè)量,圖10標(biāo)明了各質(zhì)心點(diǎn)的位置。圖11為3001部件的垂直加速度時(shí)程曲線,而且包括了連接件損壞沒(méi)有發(fā)生情況下的結(jié)果。
圖10:電子元件質(zhì)心的標(biāo)示
最初的加速度結(jié)果包含噪音,圖11中的曲線是經(jīng)過(guò)過(guò)濾后得到的。在求解過(guò)程中,單元、節(jié)點(diǎn)、接觸、集成和緊固件交互作用的時(shí)程數(shù)據(jù)在寫(xiě)入輸出數(shù)據(jù)庫(kù)之前都經(jīng)過(guò)了過(guò)濾。在本次分析中,選用了截止頻率為5kHz的Butterworth過(guò)濾器。在撞擊過(guò)程中,過(guò)大的加速度可能損壞電子元件,盡管它們可能還附在電路板上。為了得到電子元件的耐用性,可以在已確定的實(shí)驗(yàn)限定中檢驗(yàn)它們承受的最大加速度。
圖11:電子元件3001的垂直加速度
其他確定耐用性的方法包括檢驗(yàn)詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)效圖,特別是電路板上電子元件附近的應(yīng)力應(yīng)變情況。這些值可以用來(lái)判斷焊接點(diǎn)是否損壞。
結(jié)論
跌落模擬已經(jīng)成為設(shè)計(jì)個(gè)人電子產(chǎn)品必不可少的工具。ABAQUS/Explicit的先進(jìn)性使得這種加載情況很容易運(yùn)用到設(shè)計(jì)過(guò)程中去。
參考文獻(xiàn)
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Hirai,M.,M.Tanoue,M.Mukai,andY.Yokono,“SimulationofNotebookPersonalComputerDropTest,”P(pán)roceedingsofthe2001ABAQUSUsers’Conference.
Nagaraj,B.,D.Carroll,andT.Diehl,“BallDropSimulationonTwo-WayRadioLensUsingABAQUS/Explicit,”P(pán)roceedingsofthe1999ABAQUSUsers’Conference.
ABAQUS參考資料
有關(guān)本簡(jiǎn)報(bào)中提到的ABAQUS功能的附加信息,請(qǐng)參見(jiàn)ABAQUSV6.5文檔中的以下內(nèi)容:
AnalysisUser’sManual
“Explicitdynamicanalysis”,第6.3.3節(jié)
“Defininggeneralcontactinteractions”,第21.3.1節(jié)
“Mesh-independentfasteners”,第20.3.4節(jié)
“Meshtieconstraints”,第20.3.1節(jié)
“Outputtotheoutputdatabase”,第4.1.3節(jié)
“Massscaling”,第7.16.1節(jié)
“Solid(continuum)elements”,第14.1.1節(jié)
ExampleProblemsManual
“Kneebolsterimpactwithgeneralcontact”,第2.1.9節(jié)
“Caskdropwithfoamimpactlimiter”,第2.1.12節(jié)
“Obliqueimpactofacopperrod”,第2.1.13節(jié)
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